基于光學(xué)成像技術(shù)的高通量植物表型分析裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及植物表型分析設(shè)備，特別涉及基于光學(xué)成像技術(shù)的高通量植物表型分析裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]植物表型研究是植物學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，主要通過(guò)對(duì)植株的各種特征和性狀即表型的鑒別和分析，以及對(duì)復(fù)雜的植物生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制來(lái)深入闡明基因組和環(huán)境因素對(duì)植物表型的復(fù)雜作用，植物表型與其產(chǎn)量、生理狀態(tài)之間的相互關(guān)系，以及不同的環(huán)境條件對(duì)植物生長(zhǎng)狀況、產(chǎn)量、質(zhì)量等的影響。
[0003]目前，在遺傳育種、作物品種資源鑒定、栽培生理、植物生物學(xué)等方面的研究都需要測(cè)定大量植株的不同層次表型特征及性狀，如植物的形態(tài)學(xué)參數(shù)(結(jié)構(gòu)、密度、葉面積、葉長(zhǎng)、葉寬、種子顏色等)和生理生化參數(shù)(養(yǎng)分分析、水分分布、水分脅迫、蒸騰作用、光合生理狀態(tài)、病蟲(chóng)害等)。對(duì)植物多表型信息的完整獲取和分析，已成為了植物表型組學(xué)的一個(gè)重要研究方向。
[0004]傳統(tǒng)的表型分析檢測(cè)技術(shù)存在規(guī)模小、效率低、誤差大、破壞性等問(wèn)題，已成為植物生物學(xué)研究的主要限制因素。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和大型企業(yè)已開(kāi)始了高通量植物表型檢測(cè)平臺(tái)的研究與開(kāi)發(fā)，包括LemnaTec公司、PSI公司的植物表型系統(tǒng)，LENMATEC公司、PSI公司系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)批量植物掃描，但是僅對(duì)植物采集有限的圖像，裝置控制復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理算法老化，無(wú)法得到完整的高精度的表型數(shù)據(jù)，且成套系統(tǒng)價(jià)格昂貴。
[0005]又例如專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?01520299589.X的專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種植物表型掃描裝置包括:成像裝置，用于對(duì)植物圖像和/或視頻進(jìn)行采集;框架，包含成像裝置移動(dòng)接件，所述成像裝置移動(dòng)接件用于驅(qū)動(dòng)所述成像裝置移動(dòng);旋轉(zhuǎn)臺(tái)，用于轉(zhuǎn)動(dòng)植物;控制器，用于控制成像裝置的采集、移動(dòng)，控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)；該植物表型掃描裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物多角度、多位置成像，以進(jìn)行三維重建和數(shù)據(jù)提取。
[0006]上述植物表型掃描裝置僅用于植物的三維重建，精度無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，而目前基于多成像傳感技術(shù)的高通量植物表型分析方法和裝置鮮有報(bào)道，該技術(shù)的應(yīng)用對(duì)全面高效獲取植物表征特征和性狀具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明公開(kāi)了一種基于光學(xué)成像技術(shù)的高通量植物表型分析裝置，可獲取植物的葉綠素?zé)晒鈭D像、近紅外多光譜圖像、紅外熱圖像、植物三維形態(tài)建模，實(shí)現(xiàn)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)、光合生理狀況、植物脅迫生理等多表型的高通量解析，使用方便，測(cè)試得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度尚O
[0008]—種基于光學(xué)成像技術(shù)的高通量植物表型分析裝置，包括:
[0009 ] 避光罩;為了提高避光效果，所述避光罩內(nèi)壁設(shè)有吸光涂層。
[0010]底座，安裝在避光罩內(nèi)，底座中間設(shè)有工作位；[0011 ]頂架，安裝在避光罩內(nèi)固定在底座正上方；
[0012]物料載臺(tái)，安裝在底座的工作位上；
[0013]傳感器平板，通過(guò)平移機(jī)構(gòu)安裝在頂架上；
[0014]葉綠素?zé)晒獬上駜x，安裝在傳感器平板上；
[0015]近紅外多光譜面型成像儀，安裝在傳感器平板上；
[0016]紅外熱成像儀，安裝在傳感器平板上；
[0017]三維重構(gòu)成像儀，安裝在傳感器平板上；
[0018]光源組，安裝在傳感器平板上為葉綠素?zé)晒獬上駜x、近紅外多光譜面型成像儀和三維重構(gòu)成像儀提供激發(fā)光和照明光。
[0019]本發(fā)明裝置將葉綠素?zé)晒獬上瘛⒔t外多光譜面型成像、紅外熱成像以及三維重構(gòu)成像技術(shù)集成在一套裝置中，通過(guò)平移機(jī)構(gòu)移動(dòng)傳感器平板來(lái)將各成像儀移動(dòng)到適合的位置進(jìn)行工作，使待測(cè)植物可以在相同的位置進(jìn)行多種成像測(cè)試，實(shí)現(xiàn)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)、光合生理狀況、植物脅迫生理等多表型的準(zhǔn)確解析。
[0020]為了便于控制、提高移動(dòng)精度和穩(wěn)定性，優(yōu)選的，所述平移機(jī)構(gòu)包括:固定在頂架上的第一軌道以及移動(dòng)安裝在第一軌道上且與第一軌道垂直的第二軌道，所述傳感器平板移動(dòng)安裝在第二軌道上，所述第一軌道和第二軌道分別帶有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
[0021]為了方便制造、安裝和使用，優(yōu)選的，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為滾珠絲杠副。滾珠絲杠副傳動(dòng)穩(wěn)定且移動(dòng)精度高。
[0022]為了方便加載待測(cè)植物，優(yōu)選的，所述避光罩上開(kāi)設(shè)有進(jìn)料口和開(kāi)關(guān)門(mén)，所述避光罩外設(shè)有物料安裝位，所述物料安裝位和工作位之間設(shè)有穿過(guò)進(jìn)料口的傳送機(jī)構(gòu)，所述物料載臺(tái)安裝在傳送機(jī)構(gòu)的傳送座上。在物料安裝位設(shè)置在避光罩外，便于安裝待測(cè)植物。
[0023]為了提高測(cè)試效果，優(yōu)選的，在所述工作位設(shè)有位于所述物料載臺(tái)下方的升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，所述升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括:升降機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在升降機(jī)構(gòu)的升降臺(tái)上，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸出端設(shè)有與物料載臺(tái)底部卡合以帶動(dòng)物料載水平轉(zhuǎn)動(dòng)的限位件。升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以對(duì)物料載臺(tái)進(jìn)行升降和旋轉(zhuǎn)，從而使待測(cè)植物位于最適合的工作位。限位件可以是凸塊、凸條，為了提高穩(wěn)定性，還可以是十字型的插塊，只要可以水平限位物料載臺(tái)即可。由于物料載臺(tái)是安裝在傳送帶的傳送座上的，此時(shí)可以直接卡合連接傳送座。
[0024]為了方便制造、安裝和使用，優(yōu)選的，所述升降機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠副。
[0025]為了方便制造、安裝和使用，優(yōu)選的，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)。
[0026]為了提高光照強(qiáng)度以及光照的均勻性，優(yōu)選的，所述光源組包括:
[0027]多個(gè)LED燈，作為葉綠素?zé)晒獾募ぐl(fā)光源均勻分布于傳感器平板上；
[0028]多個(gè)紅外LED燈，作為近紅外多光譜面型成像儀光源均勻分布于傳感器平板上，所述紅外LED燈包括至少兩種波長(zhǎng)的紅外光。例如所述紅外LED燈包括10個(gè)830nm紅外LED燈和10個(gè)89011111紅外1^0燈。
[0029]為了提高三維重構(gòu)成像的效果，優(yōu)選的，三維重構(gòu)成像儀包括布置在中間的RGB相機(jī)以及圍繞RGB相機(jī)周向布置的4個(gè)成像鏡頭。
[0030]本發(fā)明還公開(kāi)了一種基于光學(xué)成像技術(shù)的高通量植物表型分析方法，使用上述的基于光學(xué)成像技術(shù)的高通量植物表型分析裝置，包括以下步驟:[0031 ] (I)將待測(cè)植物放在物料載臺(tái)上；
[0032](2)平移機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)傳感器平板，使葉綠素?zé)晒獬上駜x位于物料載臺(tái)正上方，光源組提供激發(fā)光，葉綠素?zé)晒獬上駜x采用高分辨率相機(jī)結(jié)合濾光輪采集葉綠素?zé)晒獬上?，得到葉綠素?zé)晒鈪?shù)；
[0033](3)平移機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)傳感器平板，使近紅外多光譜面型成像儀位于物料載臺(tái)正上方，光源組提供紅外光，近紅外多光譜面型成像儀獲取植物葉片、冠層的生化指標(biāo)和水分狀況參數(shù)；
[0034](4)平移機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)傳感器平板，使紅外熱成像儀位于物料載臺(tái)正上方，紅外熱成像儀分析作物干旱脅迫、光照強(qiáng)度分布參數(shù)。
[0035](5)平移機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)傳感器平板，使三維重構(gòu)成像儀位于物料載臺(tái)正上方，光源組提供照明光，三維重構(gòu)成像儀拍攝多個(gè)角度的植物圖像，進(jìn)行植物三維重構(gòu)，獲取植物全方位結(jié)構(gòu)形態(tài)表型。
[0036]本發(fā)明的有益效果:
[0037]本發(fā)明的裝置和方法可用來(lái)獲取植物的葉綠素?zé)晒鈭D像、近紅外多光譜圖像、紅外熱圖像、植物三維形態(tài)建模，實(shí)現(xiàn)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)、光合生理狀況、植物脅迫生理等多表型的高通量解析，使用方便，可以獲取完整的植物表型數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確。
【附圖說(shuō)明】
[0038]圖1為本發(fā)明裝置的內(nèi)部立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖2為本發(fā)明裝置另一個(gè)角度的內(nèi)部立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖3為本發(fā)明裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041 ]圖4為本發(fā)明裝置的傳感器平板的平面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042]圖5為本發(fā)明裝置的升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043]如圖1?5所示，本實(shí)施例的基于光學(xué)成像技術(shù)的高通量植物表型分析裝置包括:避光罩1、底座2、頂架3、物料載臺(tái)4、傳感器平板5、葉綠素?zé)晒獬上駜x、近紅外多光譜面型成像儀、紅外熱成像儀和三維重構(gòu)成像儀和光源組。
[0044]底座2安裝在避光罩I內(nèi)，底座2中間設(shè)有工作位201;頂架3安裝在避光罩內(nèi)固定在底座2正上方。
[0045]物料載臺(tái)4安裝在工作位201上，避光罩I上開(kāi)設(shè)有進(jìn)料口101和開(kāi)關(guān)門(mén)102，避光罩I外設(shè)有物料安裝位202，物料安裝位202和工作位201之間設(shè)有穿過(guò)進(jìn)料口 101的傳送帶203，物料載臺(tái)4安裝在傳送帶203的傳送座204上。傳送座204活動(dòng)安裝在傳送帶203上。為方便位置檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)不同次待研究對(duì)象在同樣位置，底座2上設(shè)置有接近開(kāi)關(guān)，接近開(kāi)關(guān)為NPN常閉，當(dāng)物料載臺(tái)4運(yùn)動(dòng)，達(dá)到指定位置(工作位201)后，觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)，停止傳送帶203的伺服電機(jī)工作，使得待研究對(duì)象停止在指定位置(工作位201)。接近開(kāi)關(guān)相應(yīng)迅速，保證重復(fù)精度在Imm之內(nèi)。當(dāng)物料載臺(tái)4及研究對(duì)象進(jìn)入的時(shí)候開(kāi)啟開(kāi)關(guān)門(mén)102然后關(guān)閉，保證內(nèi)部光照條件完全由光源組提供，當(dāng)物料載臺(tái)4送出的時(shí)候開(kāi)啟開(kāi)關(guān)門(mén)102將物料載臺(tái)4及研究對(duì)象送出。
[0046]傳感器平板5通過(guò)平移機(jī)構(gòu)安裝在頂架上，平移機(jī)構(gòu)包括:固定在頂架3上的第一軌道301以及移動(dòng)安裝在第一軌道301上且與第一軌道301垂直的第二軌道302，傳感器平板5移動(dòng)安裝在第二軌道302上，第一軌道301和第二軌道302分別帶有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，第一軌道301和第二軌道302分別為X向和Y向的滾珠絲杠副。兩滾珠絲杠副通過(guò)懸垂裝在避光罩I內(nèi)部上端，與避光罩I頂端有1cm差距。X軸定義為與傳送帶203傳送方向相同的直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向，與之垂直的Y向定義為與傳送帶203相垂直的2個(gè)滾珠絲杠副，X方向和Y方向都設(shè)置有接近快關(guān)，實(shí)現(xiàn)傳感器平板5在X與Y方向的基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)定，Y向直線導(dǎo)軌直接與避光罩I的骨架103焊接在一起，所有數(shù)據(jù)線、電源線、控制線組成集束接入控制柜中，為避免線材因?yàn)橐苿?dòng)產(chǎn)生損耗，將做成類(lèi)似于坦克鏈的集束方式，X向滾珠絲杠副則橫在Y向之間構(gòu)成如圖所示“H” 型。
[0047]三維重構(gòu)成像儀包括5個(gè)RGB相機(jī)10，其中一個(gè)位于傳感器平板5中間，其余四個(gè)布置在中間RGB相機(jī)的周向，從而拍攝五個(gè)角度的RGB圖像，進(jìn)行植物三維重構(gòu)，獲取植物全方位結(jié)構(gòu)形態(tài)表型。
[0048]葉綠素?zé)晒獬上駜x、近紅外多光譜面型成像儀、紅外熱成像儀和三維重構(gòu)成像儀的成像鏡頭以及光源組安裝在傳感器平板5上，光源組包括:36個(gè)白